Kæmpe spring til molekylære målinger

Spektroskopi er et vigtigt observationsværktøj på mange områder af videnskab og industri. Infrarød spektroskopi er især vigtig i kemiens verden, hvor det bruges til at analysere og identificere molekyler. Den nuværende state-of-the-art metode kan foretage cirka 1 million observationer i sekundet. UTokyo -forskere har i høj grad overgået dette tal med en ny metode cirka 100 gange hurtigere.

Fra klimavidenskab til sikkerhedssystemer, fremstilling til kvalitetskontrol af fødevarer, infrarød spektroskopi bruges på så mange akademiske og industrielle områder, at det er allestedsnærværende, omend usynlig, del af hverdagen. I det væsentlige, infrarød spektroskopi er en måde at identificere, hvilke molekyler der er til stede i en prøve af et stof med en høj grad af nøjagtighed. Grundidéen har eksisteret i årtier og har undergået forbedringer undervejs.

Generelt, infrarød spektroskopi virker ved at måle infrarødt lys, der transmitteres eller reflekteres fra molekyler i en prøve. Prøvernes iboende vibrationer ændrer lysets egenskaber på meget specifikke måder, hovedsagelig giver et kemisk fingeraftryk, eller spektre, som læses af en detektor og analysator kredsløb eller computer. For 50 år siden kunne de bedste værktøjer måle et spektrum pr. Sekund, og for mange applikationer var dette mere end tilstrækkeligt.

For nylig, en teknik kaldet dual-kam spektroskopi opnåede en målehastighed på 1 million spektre i sekundet. Imidlertid, i mange tilfælde, hurtigere observationer er påkrævet for at producere finkornet data. For eksempel ønsker nogle forskere at undersøge stadierne af visse kemiske reaktioner, der sker på meget korte tidsskalaer. Dette drive fik lektor Takuro Ideguchi fra Institute for Photon Science and Technology, ved universitetet i Tokyo, og hans team for at undersøge og skabe det hurtigste infrarøde spektroskopisystem til dato.

"Vi udviklede verdens hurtigste infrarøde spektrometer, der kører med 80 millioner spektre i sekundet, "sagde Ideguchi." Denne metode, tidsstrækning infrarød spektroskopi, er omkring 100 gange hurtigere end dual-kam spektroskopi, som havde nået en øvre hastighedsgrænse på grund af problemer med følsomhed. "I betragtning af at der er omkring 30 millioner sekunder på et år, denne nye metode kan opnå på et sekund, hvad for 50 år siden ville have taget over to år.

Time-stretch infrarød spektroskopi virker ved at strække en meget kort puls af laserlys transmitteret fra en prøve. Når den transmitterede puls strækkes, det bliver lettere for en detektor og ledsagende elektroniske kredsløb at analysere nøjagtigt. En vigtig højhastighedskomponent, der gør det muligt, er noget, der kaldes en kvantekaskadedetektor, udviklet af en af ​​papirets forfattere, Tatsuo Dougakiuchi fra Hamamatsu Photonics.

"Naturvidenskaben er baseret på eksperimentelle observationer. Derfor, nye måleteknikker kan åbne nye videnskabelige felter, "sagde Ideguchi." Forskere på mange områder kan bygge videre på det, vi har gjort her, og bruge vores arbejde til at forbedre deres egen forståelse og observationsevne. "